차량 주브레이크의 제동 능력과 역학
차량 주행 중 가장 중요한 요소 중 하나는 바로 제동입니다. 비상 상황에서 안전하게 정지할 수 있게 해주는 제동 시스템(브레이크)는 차량이 갖춰야 할 주요 안전 성능입니다. 이 글에서는 차량 주브레이크의 작동 원리와 역학을 정리했습니다.
목차
주요 제동 시스템 종류
- 디스크 브레이크: 대부분의 현대 차량에 사용되는 시스템으로, 우수한 제동력과 방열성을 제공
- 드럼 브레이크: 저렴한 가격과 간단한 구조를 가지고 있지만, 디스크 브레이크에 비해 제동력과 방열성이 떨어짐
- 파워 브레이크: 마스터 실린더에 진공 브로커 또는 유압 부스터를 추가하여 운전자의 힘으로 더 큰 제동력을 발생시킴
- 안티록 브레이크 시스템(ABS): 급제동 시 타이어의 잠금을 방지하여 조종성을 유지하고 안전한 제동을 가능
- 전자 제어 안정성 시스템(ESC): 차량의 옆방향 미끄럼을 감지하여 자동으로 제동력을 조절하여 안정적인 주행 보조
주요 브레이크 구성품
- 브레이크 페달: 운전자가 힘을 가하는 부품으로, 마스터 실린더 내부의 피스톤을 작동
- 마스터 실린더: 브레이크 오일을 압축하는 역할
브레이크 라인: 압축된 브레이크 오일을 휠 실린더까지 전달하는 파이프 - 휠 실린더: 브레이크 오일의 압력을 기계적 힘으로 변환하는 부품
- 브레이크 패드: 회전하는 브레이크 디스크 또는 드럼과 마찰되어 제동력을 발생시키는 부품
- 브레이크 디스크 또는 드럼: 브레이크 패드가 마찰하는 회전 부품
제동 능력
차량의 제동능력은 제동거리와 제동시 안정성의 요구도를 충족하여야 한다.
(1) 제동시 작동력
- W : 차량 총중량
- L : 축간거리
- V : 제동초속도
- Wf : 전륜 총중량
- Bf : 전륜 제동력
- α : 감가속도
- Wr : 후륜 총중량
- Br : 후륜제동력
- g : 중력가속도
- S : 제동거리
(2) 제동시의 정지거리
정지거리 = 공주거리 + 제동거리(S)
제동거리(Sbrake) = V2 / (2α)
정지거리(Sstop) = V * t + Sstop
제동력(B) = Bf + Br = Wᆞα / g
제동력(B)는 타이어와 노면의 마찰력이며, 최대치는 타이어의 미끄럼에 의해 제한된다.
따라서, 전륜과 후륜의 브레이크 제원은 차량중량배분에 맞추어 선정되어야 하며, 동적인 중량배분 변동에 대응하기위해 제동력 배분 조정밸브를 적용하여야 한다.
타이어의 노면마찰계수는 미끄럼 비율에 따라 변화하고, 일반적으로 10~30%에서 최고치를 나타내며, 미끄럼비율이 증가하면 노면마찰계수는 저감한다.
제동력의 배분
제동 중에는 감속도에의한 관성력이 작용하여, 후륜으로부터 전륜으로 하중이 이동한다.
이러한 경우의 각 차륜의 동적하중(W')는 아래와 같다.
전륜의 동적하중 (W'f) = Wf + Wᆞ(α/g)ᆞ(h/L)
후륜의 동적하중 (W'r) = Wr - Wᆞ(α/g)ᆞ(h/L)
이상적인 제동력(B)의 배분은 아래와 같다.
전륜의 제동력 (Bf) = (α/g)ᆞW'f = (α/g)ᆞ(Wf + Wᆞ(α/g)ᆞ(h/L))
후륜의 제동력 (Br) = (α/g)ᆞW'r = (α/g)ᆞ(Wr - Wᆞ(α/g)ᆞ(h/L))
여기서, (α/g)는 노면마찰계수(μ)이므로
Bf = μᆞ(Wf + Wᆞμᆞ(h/L))
Br = μᆞ(Wr - Wᆞμᆞ(h/L))
여기서, W = (Bf + Br) / μ 이므로, 상기 2식으로 부터 전축과 후축의 관계식은
Br = Bfᆞ((L / μh) - 1 ) - (L/h)ᆞWf
Br = -Bfᆞ(1/(L / μh) + 1 ) + (1/((1/μ)+(h/L)))ᆞWr 이다.
<예시> 차량의 주행제동시 감가속도(노면마찰계수 : μ)에 따라 발생되는 전축과 후축의 제동력 분배와 제동 개시속도에 대한 제동거리는 아래와 같다.
- 차량총중량(W) : 3,000 kg , 축거 : 2,000 mm , 무게중심 (x좌표) : 1,500 mm
- 타이어의 동하중 반경 : 290 mm 무게중심 지상고: 1,095 mm
- 전축 하중 분배율 : 48.5% , 전축중 : 1,455 kg , 후축중 : 1,545 kg
| 노면 마찰계수 (μ) | 0.1 | 0.6 | 0.8 | 0.9 | 1.0 | |||||||||||||||||
| 제동력 (B) ( kgf ) |
전축의 제동력 (Bf) | 98 | 1,260 | 2,040 | 2,498 | 3,000 | ||||||||||||||||
| 후축의 제동력 (Br) | 203 | 540 | 360 | 203 | 0 | |||||||||||||||||
| 계 | 300 | 1,800 | 2,400 | 2,700 | 3,000 | |||||||||||||||||
| 제동토크(T) (kgfm) |
전축의 토오크 (Tf) | 28 | 365 | 592 | 724 | 870 | ||||||||||||||||
| 후축의 토오크 (Tr) | 59 | 157 | 104 | 59 | 0 | |||||||||||||||||
| 계 | 87 | 522 | 696 | 783 | 870 | |||||||||||||||||
| 제동거리(S) (m) |
제동개시 속도(km/h) | 40 | 40 | 40 | 40 | 40 | ||||||||||||||||
| 63.0 | 10.5 | 7.9 | 7.0 | 6.3 | ||||||||||||||||||
따라서, 감가속도가 클수록 전륜에 분담되는 제동력이 증가하게되며, 차량의 동일 제동력에 의해 후축의 잠김이 발생되기 쉽다.
이러한 연유로,제동의 안정성에 대해 고려하면, 급제동시 차량이 회전하게 된디.
브레이크 설계
(1) 설계 개념
브레이크의 성능은 차의 안전성에 직접 관계되므로, 실제 설계작업에 앞서, 차량의 용도나 개발 컨셉 등에서 브레이크의 제반 성능 목표값을 정하고, 이러한 목표값을 만족 시킬 수 있는 제동장치 및 제원값을 결정할 필요가 있다.
또한, 브레이크의 구조나 브레이크 성능에 대해서는 각국에 법규제가 있고 이를 명확하게 하여야 한다.
- Q : 제동 답력 (kgf)
- γp : 페달비
- DM : 마스터 실린더 지름 (mm)
- DWf : 프론트 휠 실린더 지름 (mm)
- γf : 프론트 브레이크 유효반경(mm)
- DWr : 리어 휠 실린더 지름 (mm)
- γr : 리어 브레이크 유효 반경 (mm)
- RT : 타이어의 동하중 반경 (mm)
- BEFf : 프론트 브레이크factor
- BEFr : 리어 브레이크 factor
- Nf : 전축 휠 실린더 개수
- Nr : 후축 휠 실린더의 개수
1 ) FM : 마스터 실린더에 작용하는 힘 = Q * γp
2) 마스터 실린더와 전축 휠 실린더의 단면적의 비 ( Cf ) = DM^2 / DWf^2
3) 마스터 실린더와 후축 휠 실린더의 단면적의 비 ( Cr ) = DM^2 / DWr^2
4) 프론트 브레이크 유효반경과 타이어의 동하중반경의 비 ( CRf ) = γf / RT
5) 리어 브레이크 유효반경과 타이어의 동하중반경의 비 ( CRr ) = γr / RT
6) 전축의 제동력(Bf) = FM * Cf * CRf * BEFf * Nf
7) 후축의 제동력(Br) = FM * Cr * CRr * BEFr * Nr
브레이크 Factor (BEF)는 브레이크 입력과 출력의 비를 나타내는 계수로서, 마찰재의 마찰계수(μ)와 브레이크의 형식에 따라 결정되며, 사용되는 브레이크 장치의 자료를 참조한다.
디스크 브레이크인 경우는 0.6 ~ 0.9 정도, 드럼 브레이크 경우는 Gain이 낮은 정치는 1.5 ~ 3.5, Gain이 높은 장치는 3.5 ~ 8.0 이 일반적이다.
페달비(γp)는 승용차의 경우 3 ~ 7 이 일반적이다.
또한, 유압 회로의 사용 최대 압력은, 유압회로의 신뢰도를 고려하여, 100 ~ 150 kgf /cm2 정도로 제한하는 것이 일반적이며, 최대 적재상태의 한계 감속도에 있어서도, 이 값을 넘지 않는 범위에서 사용되고 있다.
실제로는, 대부분의 차량에서 배력장치나 액압 컨트롤 밸브등이 장착되고 있고, 조작감 ( 답력, 스트로크등)이나 제동력 배분울 만족하도록 각 실린더의 사이즈나 뱌력장치의 사양을 선정할 필요가 있다.
(2) 제동력 분배
차량 총중량 상태에서 제동력 배분을 기준으로 브레이크 장치를 설계하는 경우에, 전륜의 중량 배분 하중율이 가장 높은 공차상태의 제동력 배분이 이상제동력 분배선과 어긋남이 발생된다.
이 때문에, 공차상태와 척차상태의 차이가 큰 트럭 등에서는 적재조건에 따라 특성이 변화하므로, 로드 센싱 타입의 액압 컨트롤 밸브를 그림과 같이 적용하는 예가 많다.
브레이크의 특수조건
(1)페이드 현상
브레이크 마찰재로 사용되는 유기재료에서, 마찰면의 온도상승에 따라 마찰계수(μ)가 작어 진다.
디스크 브레이크의 경우, 350℃가 되면, 마찰계수(μ)가 낮아지는 경우가 있고, 고속으로 부터 제동이나, 연속해서 반복적인제동에 의해 마찰면이 고온에 도달하여, 제동력이 낮아지는 현상을 페이드 현상이라 한다.
(2) 베이퍼 록 현상
브레이크 액 압계가 고온이 되어, 브레이크 액이 비등하게되어, 기포가 발생되고, 브레이크 압을 전달할 수 없게되어 브레이크 기능을 살실하게 되는 현상을 베이퍼 록이라고 한다.
브레이크액의 비등점은 신품인 경우 200℃이상이나, 열화 후에는 110℃ 정도 이다.
엔진, 배기관등, 열원으로부터 브레이크 라인의 보호대책이 필요하다.
(3) 워터 페이드 현상
마찰면이 젖어, 물의 윤활 작용에 의해 마찰계수(μ)가 일시적으로 저하하는 현상을 말한다.
일반적으로 디스트 브레이크가 드럼 브레이크에 비해 효력의 변화가 작다.
이는, 디스크 브레이크의 배수성이 우수하고, Gain이 낮고, 브레이크 Factor가 마찰재의 마찰계수(μ)의 영향을 덜 받기 때문이다.
(4) 스피드 스프레드, G 스프레드 현상
마찰계수(μ)는 열, 물 이외에도, 차속이나 감속도에 의해서도 저하된다.
차속에 따른 저하를 스피드 스프레드, 감속에 따른 저하를 G 스프레드라 한다.
드럼 브레이크의 경우, 160 km/h이상이 되면, 효력의 저하가 두드러진다.
마무리
차량 주브레이크의 작동 원리와 역학을 정리했습니다. 혹시 틀린 부분이나 보완사항 말씀해주시면 수정하도록 하겠습니다. 감사합니다.
끝까지 읽어주셔서 감사합니다.
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